客车离合器自动控制方法的探讨

2012-12-23刘欣高立程方家宝

汽车零部件 2012年3期

刘欣，高立程，方家宝

(大连理工大学机械工程学院，辽宁大连116024)

0 引言

城市客车的起步、停车以及加减速都非常频繁，对于一般使用人工操纵离合器的客车来说，驾驶员平均每天需要踩离合器2 000 次以上［1］，劳动强度很大，且分散了注意力。同时，离合器操作时机的把握需要一定的驾驶经验和技巧，不恰当的操作会造成冲击，增大离合器的磨损，增加油耗，从而降低了乘客乘坐的舒适性，车辆故障率升高，使用寿命缩短。采用自动离合器，可以减少驾驶员的工作量，同时在最佳结合规律的控制下还可以有效地减少冲击，提高乘坐舒适性。目前自动离合器已广泛应用于微型车和轿车等小型汽车，但在客车上应用还不多。

1 方案选择

自动离合器是在原有的干式摩擦离合器及其操纵机构的基础上改造而成的，通过电子控制单元(Electronic Control Unit，ECU)控制液压、气动或电动执行机构，完成对车辆离合器的自动操纵。系统保留了原有的离合器踏板，将自动离合器的执行机构与原有的人工离合器操纵机构并联安装，可以由驾驶员选择使用自动或手动控制。目前，按照执行机构动力源的不同，自动离合器的执行机构主要有电控电动(全电式)、电控液动和电控气动三种类型［2］。

电控电动离合器执行机构:完全由直流电机驱动执行机构，结构简单，控制灵活，成本较低，但直流电机受负载影响较大，适用于微型车和轿车等小型汽车，而对于客车这种离合器分离力较大的大型汽车来说不太适用。

电控液动离合器执行机构:由电控单元控制电磁阀，从而控制液压系统驱动离合器的动作，响应快，控制精度高，在高档轿车上应用较广。但液压系统存在着受温度影响较大，结构复杂，成本较高等缺点。

电控气动离合器执行机构:由电控单元控制单元阀，通过控制气缸的动作来操纵离合器的分离与结合，具有结构简单，无污染，成本低等优点，适用于装有气压系统的大型客车和重型汽车。但气动系统控制精度低，响应慢，增加了控制的难度。

综合考虑以上三种方式的优缺点以及客车自身的特点，笔者提出了一种新的自动离合器执行机构，即电控气压助力式离合器执行机构，将直流电机驱动的电动执行机构与气压助力结合起来，既有电动系统便于控制的优点，又充分利用了客车自身的气压系统为操纵提供助力。

2 执行机构原理

电控气压助力式离合器执行机构的基本结构原理如图1 所示。该执行机构主要由直流减速电机1、螺杆2、螺母3、活塞杆5、助力气缸6、回位弹簧7、推杆8、储气瓶12 等组成。

直流减速电机1 为主要动力源，直流电动机具有良好的起动与调速性能，减速齿轮箱则起到减速增矩的作用，这里可以直接选用合适的直流减速电机，也可根据需要设计制造减速齿轮配合直流电机使用。助力气缸6 内部的活塞与活塞杆5 连接为一个整体，活塞杆5 为中空管状结构，它与螺杆2 没有接触，从而使活塞杆5 的左右移动和螺杆2 的转动互不干涉。

当需要离合器分离时，直流减速电机1 在ECU 的控制下正转，并通过联轴器驱动螺杆2 旋转，螺杆2 的旋转带动螺母3在导杆4 限制下平行右移。活塞杆5 左端与螺母3 接触，在螺母3 右移的推动下，活塞杆5 连同活塞也向右移。同时，进气阀在ECU 控制下开启，储气瓶12 内的高压气进入助力气缸6推动活塞右移。助力气缸6 内的回位弹簧7 有预压紧力，在螺母3 和高压气的共同作用下，活塞克服回位弹簧7 向右移动，推动与活塞接触的推杆8 右移，从而推动拨叉9 来完成膜片弹簧离合器10 的分离。

当需要离合器接合时，在ECU 的控制下，直流减速电机1反转，螺母3 平行左移。同时，进气阀关闭，在回位弹簧7 的作用下，活塞向左移动。由于离合器为拉式膜片弹簧离合器，在膜片弹簧的作用下，离合器回到接合状态。

3 离合器接合品质的评价指标

离合器接合品质的好坏通常由以下两个指标来进行评价［3］:

(1)冲击度j

冲击度是以车辆纵向加速度的变化率来表征的，即j =da/dt。冲击度与车辆本身特性和离合器的接合速度有关，在车辆本身特性确定的情况下，主要通过控制离合器的接合速度来控制冲击度，接合速度越慢，冲击度越小，乘坐舒适性越好。

(2)滑磨功W

当摩擦离合器接合时，主、从摩擦元件要经历从转速不等到一致的滑磨过程。滑磨会使摩擦片磨损，引起压盘、飞轮等零件的温度升高，而摩擦表面温度过高又进一步加剧摩擦片磨损，降低离合器的使用寿命。离合器滑磨的严重程度常用滑磨功的大小来衡量。离合器的滑磨功是指离合器接合过程中有多少机械能转化为热能。滑磨功的大小与离合器接合过程的时间长短有关，接合过程越长，滑磨功越大，车辆功率损失越大，离合器磨损越严重。

由此可见，冲击度和滑磨功这两项评价指标相互矛盾，相互制约，需要综合考虑，才能达到令人满意的效果。

4 起步时的离合器控制策略

客车起步时的离合器的接合控制是离合器自动控制的关键和难点。起步控制不仅要求满足起步过程中客车的平顺性要求，即降低冲击度，还要减少离合器的滑磨。平顺性和滑磨功是两个矛盾的指标，如何使这两个指标在各种行驶环境下都能达到令人满意的效果是客车起步过程中离合器控制的关键。

客车起步时的离合器接合过程可分为4 个阶段［4］，如图2所示，其中Tc为离合器传递的转矩，Tf为阻力矩，ωe为离合器主动部分转速，ωc为离合器从动部分转速。

(1)时间从0 到t1:空行程阶段，离合器虽然在接合，但主、从动盘并未接触，无转矩传递，这一阶段应尽可能短，以缩短起步时间。

(2)时间从t1到t2:离合器主、从动盘开始接触，但离合器传递的转矩Tc还不足以克服最大滚动阻力矩Tf，离合器从动部分转速ωc仍为0，即客车仍为静止状态，冲击度为0，但离合器进入滑磨状态，这一阶段应尽可能短，以减小滑磨功。

(3)时间从t2到t3:离合器传递的转矩Tc大于最大滚动阻力矩Tf，ωc＞0，即客车开始运动，t2时刻为离合器半接合点。此阶段客车的冲击度主要取决于离合器传递转矩的变化率，而转矩的变化率正比于离合器的接合速度，为使客车起步平稳，减小冲击度，此阶段应缓慢接合，但时间过长会增加滑磨功，因此，需要在减轻冲击度与减少滑磨功之间找一个合适的折中点，即在满足舒适性的前提下，尽量提高离合器的接合速度。

(4)时间为t3以后:离合器主、从动盘已经同步，离合器滑磨停止，此阶段的接合速度对冲击度和滑磨功没有影响，从缩短起步时间考虑，此阶段应尽可能短。

综上所述，客车起步时，在到达离合器半接合点之前，离合器应快速接合，在离合器主、从动盘同步后，离合器亦应快速接合，而在中间阶段，离合器应以适当的速度接合，以满足舒适性和减少滑磨功的要求。